RU2545958C2

RU2545958C2 - Method to produce multi-layer coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2545958C2
Application number: RU2013135383/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Чихранов; Станислав Николаевич Власов; Дамир Ильдарович Сагитов
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-04-10
Also published as: RU2013135383A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: vacuum-plasma application of a multi-layer coating is performed. First the lower layer of zirconium nitride is applied. Then the upper layer of titanium, zirconium and chrome compound nitride is applied at their ratio, wt %: titanium 78.0-84.0, zirconium 6.0-10.0, chrome 8.0-12.0. Application of coating layers is done by three cathodes arranged horizontally in a single plane, the first of which is made as composite from titanium and zirconium. The second one is made from zirconium and is arranged oppositely to the first one. The third cathode is made as composite from titanium and chrome and is arranged between them. The lower layer is applied using the second cathode, and the upper layer - using the first and third cathodes.

EFFECT: increased serviceability of a cutting tool.

1 tbl

Description

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.The invention relates to methods for applying wear-resistant coatings to a cutting tool and can be used in metalworking.

Известен способ повышения стойкости режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие (ИП) из нитрида титана (TiN) (см. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Ульяновск: УлГТУ, 1998. 123 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия имеют относительно низкую твердость. В результате этого покрытие в большей мере подвергается износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость РИ с покрытием.A known method of increasing the resistance of a cutting tool (RI), in which a wear-resistant coating (PI) of titanium nitride (TiN) is applied on its surface using a vacuum-plasma method (see Tabakov V.P. Performance of a cutting tool with wear-resistant coatings based on complex nitrides and titanium carbonitrides. Ulyanovsk: Ulyanovsk State Technical University, 1998.123 s.). The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known method include the fact that in the known method, the coatings have a relatively low hardness. As a result of this, the coating undergoes more wear and tear, cracks quickly nucleate and propagate in it, leading to the destruction of the coating, which reduces the resistance of the coated radiation.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана и циркония TiZrN (см. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 255 с.), принятый за прототип.The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of applying a multilayer coating consisting of a lower layer of titanium nitride TiN and an upper layer of titanium nitride and zirconium TiZrN (see Tabakov V.P., Chikhranov A.V. Wear-resistant coatings of the cutting tool working in continuous cutting. - Ulyanovsk: UlSTU, 2007. - 255 p.), adopted as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие обладает недостаточной твердостью, а следовательно, трещиностойкостью. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known cutting tool with a coating adopted as a prototype, the multilayer coating in the known method has insufficient hardness and, therefore, crack resistance. As a result, the coating poorly resists the processes of wear and tear and quickly collapses when cutting.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Одним из путей повышения стойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями с различными физико-механическими свойствами. Наличие в покрытии верхнего слоя, обладающего высокой твердостью, способствует снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с повышенными адгезионными свойствами. Кроме того, создание микрослоистости в верхнем слое покрытия приводит к увеличению его твердости и трещиностойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием.Recently, the increase in the cost of metal-cutting tools and the tightening of requirements for precision machined parts made the problem of increasing the resistance of radiation sources even more urgent. One of the ways to increase the resistance and, as a consequence, the health of RI with a coating is to apply multilayer coatings with layers with different physical and mechanical properties. The presence in the coating of the upper layer with high hardness, helps to reduce the wear rate of radiation with multilayer coating. To increase the adhesion strength of the coating to the tool base, it should include a lower layer with improved adhesive properties. In addition, the creation of micro-layering in the upper coating layer leads to an increase in its hardness and fracture toughness and, as a consequence, the performance of RI coated.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.The technical result is an increase in the health of RI.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида циркония и верхний - из нитрида соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас. %: титан 78,0-84,0, цирконий 6,0-10,0, хром 8,0-12,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют составным из титана и циркония, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by applying a lower layer of zirconium nitride and an upper layer of titanium, zirconium and chromium nitride compounds at their ratio, wt. %: titanium 78.0-84.0, zirconium 6.0-10.0, chromium 8.0-12.0, and coating layers are applied by three cathodes arranged horizontally in the same plane, the first of which is made of titanium and zirconium, the second is made of zirconium and is opposite to the first, and the third is made of titanium and chromium and placed between them, with the lower layer being applied using the second cathode and the upper layer using the first and third cathodes.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя нитрида циркония, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом верхний слой обладает высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоя и наличию в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов.Such a coating structure allows to obtain high adhesion to the base due to the presence in the coating of the lower layer of zirconium nitride, which has high adhesion to the tool base. Moreover, the upper layer has high hardness due to the additional alloying of the material of the layer and the presence in their structure of micro-layering obtained by coating according to the proposed arrangement of the cathodes.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Слои покрытия должны обладать высокой твердостью для повышения износо- и трещиностойкости. При этом слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи между собой, что обеспечивается их высоким сродством друг с другом из-за наличия общих элементов.The invention consists in the following. During cutting, cracking processes occur in the coating, leading to its destruction. Under these conditions, the coating should have a layered structure to inhibit cracks. The bottom layer of the coating must have high adhesion to the tool material. Coating layers must have high hardness to increase wear and crack resistance. Moreover, the layers of the multilayer coating should have high bond strength between each other, which is ensured by their high affinity for each other due to the presence of common elements.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты.Coated plates obtained with deviations from the indicated production technology showed lower results.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип, а также двухслойное покрытие по предлагаемому способу.For experimental verification of the claimed method, a prototype coating was applied, as well as a two-layer coating according to the proposed method.

Нанесение предлагаемого покрытия осуществляется следующим образом. Твердосплавные пластины МК8 (размером 4,7×12×12 мм) промывают в ультразвуковой ванне, протирают ацетоном, спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки «Булат-6», снабженной тремя катодами, расположенными горизонтально в одной плоскости. При нанесении покрытия используют первый катод, изготовленный составным из титана и циркония, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают второй катод и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа - азота включают второй катод и осаждают нижний слой покрытия ZrN толщиной 3,0 мкм. Верхний слой покрытия TiZrCrN толщиной 3,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом и третьим катодах и подаче реакционного газа - азота. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.The proposed coating is as follows. MK8 carbide inserts (4.7 × 12 × 12 mm in size) are washed in an ultrasonic bath, wiped with acetone, alcohol and mounted on a rotary device in the vacuum chamber of the Bulat-6 installation equipped with three cathodes located horizontally in the same plane. When applying the coating, use the first cathode made of a composite of titanium and zirconium, the second of zirconium and placed opposite to the first, and the third made of composite of titanium and chromium and placed between them. The chamber is pumped out to a pressure of 6.65 · 10 ^-3 Pa, the rotator is turned on, a negative voltage of 1.1 kV is applied to it, the second cathode is turned on, and at an arc current of 100 A, the plates are cleaned and heated to a temperature of 560-580 ° C. The focusing coil current is 0.4 A. Then, at a negative voltage of 160 V, a coil current of 0.3 A and a supply of reaction gas — nitrogen, the second cathode is turned on and the lower ZrN coating layer is deposited with a thickness of 3.0 μm. The upper coating layer of TiZrCrN with a thickness of 3.0 μm is applied at a negative voltage of 160 V, a current of coils of 0.3 A, switched on by the first and third cathodes and a supply of reaction gas, nitrogen. Then shut off the evaporators, the supply of reaction gas, voltage and rotation of the device. After 15-20 minutes, the chamber is opened and the coated tool is removed.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г.The microhardness of the coatings was determined on a PMT-3 microhardness meter under a load of 100 g.

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания: скорость резания V=160 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=1,0 мм, обработка производилась без применения СОЖ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.Durable tests of the cutting tool were carried out with the longitudinal turning of blanks made of 30KhGSA steel on a 16K20 lathe. Cutting modes: cutting speed V = 160 m / min, feed S = 0.3 mm / rev, cutting depth t = 1.0 mm, processing was performed without the use of coolant. Tested carbide inserts grade MK8, processed according to the known and proposed methods. The wear criterion was a chamfer of wear along the back surface with a width of 0.4 mm.

В табл. 1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.In the table. 1 shows the test results of RI with the obtained coatings.

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, нанесенным по способу-прототипу, в 1,17-1,33 раза.As can be seen from the data in table 1, the resistance of the plates with the coatings deposited by the proposed method is higher than the resistance of the plates with the coating deposited by the prototype method by 1.17-1.33 times.

Claims

A method of obtaining a multilayer coating for a cutting tool, including vacuum-plasma deposition of a multilayer coating, characterized in that the lower layer is made of zirconium nitride and the upper one is made of titanium, zirconium and chromium nitride compounds in a ratio of wt. %: titanium 78.0-84.0, zirconium 6.0-10.0, chromium 8.0-12.0, and coating layers are applied by three cathodes arranged horizontally in the same plane, the first of which is made of titanium and zirconium, the second is made of zirconium and is opposite to the first, and the third is made of titanium and chromium and placed between them, with the lower layer being applied using the second cathode and the upper layer using the first and third cathodes.